基于吞吐量变化率和ECN机制的TCP拥塞控制方法

摘要

本发明提供一种基于吞吐量变化率和ECN机制的TCP拥塞控制方法，该方法使用ECN机制防止拥塞的发生，在没有ECN标记时，如果出现丢包会根据吞吐量的变换率来判断丢包发生的原因，进而调整发送速率，而不是盲目减半，进而避免由于无线随机丢包而导致的严重的性能问题。同时，当没有丢包发生时，窗口的增长幅度也要根据吞吐量的变换率来调整，进一步防止拥塞的发生。本发明结合采用ECN技术和基于吞吐量变换率的控制方法，ECN可以在网络轻度拥塞时进行控制，避免有线数据中心的TCP Incast现象。基于吞吐量变换率的控制方法根据当前网络吞吐量的变换率对发送窗口进行调整，当出现丢包时可以判断丢包发生的原因，进而避免由于无线随机丢包而导致的发送窗口减半。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机网络以及通信技术领域，具体涉及基于吞吐量变化率和ECN机制的 TCP拥塞控制方法。

背景技术

传统的有线数据中心网络TCP拥塞控制算法使用网络中的丢包作为拥塞信号，当丢包 发生时，算法会降低连接的数据包发送速度，从而避免网络发生拥塞。

随着数据中心规模的扩大，网络负载分布不均的现象越发严重，有线数据中心的布线问 题也越来越复杂。为了解决这些问题，无线技术被引入到现有的有线数据中心网络。然而， 无线网络因其介质的不可靠性，导致网络中存在大量的与拥塞无关的随机丢包。这些随机丢 包也会引发算法降低传输速率，引起严重的性能问题。而现有方法中还没有一种可以同时处 理有线数据中心网络TCP Incast现象和无线随机丢包而引发的性能下降问题。

在现有的TCP拥塞控制方法中，与本申请最为接近的技术方案为DCTCP方案。该方 案在交换机上进行ECN控制，发送方根据收到标记ECN的ACK占上一窗口发送数据包总 数的比例来调整发送速率。DCTCP的一个重要缺陷是当没有ECN标记时，如果出现丢包发 送方就会将发送速率减半，而不去判别丢包是否真的由于拥塞导致的。因此，无法抵抗无线 随机丢包问题。

现有的无线TCP拥塞控制方法主要有TCP Veno、TCP Westwood等。这些方法都采取 了一定的手段来分辨丢包发生的原因：随机丢包或是拥塞丢包。但它们都是以丢包作为基础 的，而如果丢包真的是由于拥塞导致的，则说明此时的网络拥塞已经非常严重。这些方法都 不能提早进行控制，防止拥塞的发生。所以并不适用于数据中心网络中。

本发明与现有拥塞控制方法的区别是本发明可以根据交换机缓冲区队列长度提前对发 送速率进行调整，防止网络拥塞的发生。当没有ECN标记时，如果出现丢包，发送方会根 据吞吐量的变换率来判断丢包发生的原因，进而调整发送速率，而不是盲目减半，进而避免 由于无线随机丢包而导致的严重的性能问题。同时，当没有丢包发生时，窗口的增长幅度也 要根据吞吐量的变换率来调整。

发明内容

针对现有技术的缺点，本申请提案要解决的技术问题为：DCTCP当没有ECN标记时， 如果出现丢包就会将发送速率减半，因此，无法抵抗无线随机丢包问题。而无线TCP拥塞 控制方法都不能对拥塞提前进行控制，无法应用于数据中心网络。本发明使用ECN机制防 止拥塞的发生，在没有ECN标记时，如果出现丢包会根据吞吐量的变换率来判断丢包发生 的原因，进而调整发送速率，而不是盲目减半，进而避免由于无线随机丢包而导致的严重的 性能问题。同时，当没有丢包发生时，窗口的增长幅度也要根据吞吐量的变换率来调整，进 一步防止拥塞的发生。

本发明采用的技术方案为：一种基于吞吐量变化率和ECN机制的TCP拥塞控制方法， 该方法包括有下列处理步骤：

步骤一：交换机上进行ECN标记

当交换机收到数据包时，首先判断当前缓冲区的队列长度，如果超过某一个门限值，则 为该数据包设置ECN标记位，否则，不设置；

步骤二：接收方设置ECN-echo

接收方查看收到的数据包是否设置了ECN标记，如果是，则在它所发送的ACK中设置 ECN-echo位，否则，返回没有设置ECN-echo位的ACK；

步骤三：发送方动态调整发送窗口

当发送端收到ACK后，首先由吞吐量变化率计算模块计算往返时延RTT、最小往返时 延RTTmin、期望吞吐量expected和实际吞吐量actual，并计算吞吐量的变化率dif；

然后ECN控制模块查看该ACK是否设置了ECN-echo位，如果是，则设置ecn_flag表 示需要根据ECN调整发送速率，并计算它收到的带有ECN-echo标记的ACK占上一发送窗 口所发送数据包总数的比例α，并根据α调整发送窗口。否则，根据吞吐量的变化率动态调 整发送窗口。

本发明的优点在于结合采用ECN技术和基于吞吐量变换率的控制方法。ECN可以在网 络轻度拥塞时进行控制，避免有线数据中心的TCP Incast现象。基于吞吐量变换率的控制方 法根据当前网络吞吐量的变换率对发送窗口进行调整，当出现丢包时可以判断丢包发生的原 因，进而避免由于无线随机丢包而导致的发送窗口减半。而且，当没有丢包发生时，窗口的 增长幅度也根据吞吐量的变换率调整，进一步避免了拥塞的发生。因此，本发明可以用于有 线数据中心网络和无线网络中。

附图说明

图1是系统发送端结构；

图2是该发明发送端控制过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

本发明的目的是提出一种基于吞吐量变化率和ECN机制的TCP拥塞控制方法，可以同 时用于有线数据中心网络和无线网络中。该方法在交换机上进行ECN标记，接收方根据收 到的数据包中ECN标记位的状态决定它所发送的ACK是否应该设置ECN-echo位。发送方 计算吞吐量的变换率，并根据收到的ACK中ECN-echo位的状态动态调整发送窗口。本发 明综合考虑了数据中心网络和无线网络的特点，能够缓解有线数据中心网络的TCP Incast现 象，同时避免由于无线丢包而导致的网络性能下降。

本发明是一种基于吞吐量变化率和ECN机制的TCP拥塞控制方法，该方法包括有下列 处理步骤：

步骤一：交换机上进行ECN标记

当交换机收到数据包时，首先判断当前缓冲区的队列长度，如果超过某一个门限值，则 为该数据包设置ECN标记位。否则，不设置。

步骤二：接收方设置ECN-echo

接收方查看收到的数据包是否设置了ECN标记，如果是，则在它所发送的ACK中设置 ECN-echo位，否则，返回没有设置ECN-echo位的ACK。

步骤三：发送方动态调整发送窗口

如图1所示，发送端主要包括吞吐量变化率计算模块、ECN控制模块、丢包判定模块和 发送速率控制模块。当发送端收到ACK后，首先由吞吐量变化率计算模块计算往返时延 RTT、最小往返时延RTTmin、期望吞吐量expected和实际吞吐量actual，并计算吞吐量的 变化率dif。具体过程如下：

expected＝cwnd/RTTmin

actual＝cwnd/RTT

dif＝expected-actual

然后ECN控制模块查看该ACK是否设置了ECN-echo位，如果是，则设置ecn_flag表 示需要根据ECN调整发送速率，并计算它收到的带有ECN-echo标记的ACK占上一发送窗 口所发送数据包总数的比例α。丢包判定模块判断网络是否出现丢包。发送速率控制模块根 据以上3个模块的结果动态设置拥塞窗口。具体过程如下：

如果ecn_flag=true，则根据α调整发送速率，设置拥塞窗口否则，根据吞吐量变化率计算模块的结果动态调整发送速率。具体过程分丢包和非丢包两种 情况。

丢包情况下窗口的调整过程如下：

发送方保存一个预先设置好的门限值β，如果吞吐量的变换率dif大于β/·RTTmin则认 为丢包是由于拥塞导致的，故将拥塞窗口cwnd减半，即cwnd＝cwnd×1/2。否则，认为是 无线随机丢包，设置拥塞窗口cwnd＝cwnd×4/5。

非丢包情况下窗口的调整过程如下：

发送方保存一个预先设置好的门限值γ，如果吞吐量的变换率dif小于γ，则认为当前网 络状况很好，故设置拥塞窗口cwnd=cwnd+1/cwnd。否则，认为当前网络有出现拥塞的迹象， 减小拥塞窗口增长的幅度，设置拥塞窗口

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解 本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来 讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而 易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。